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Android-JNI開發系列《五》區域參考&全域參考&全域弱參考&快取策略

2020-10-19 23:35:15 後端開發

人間觀察

好像什么都來得及，又好像什么都來不及，

本篇文章主要介紹在jni開發中常見的三種參考的使用方法和注意事項以及jni和java互動的快取策略，

我們知道Java是一門純面象物件的語言，除了基本資料型別外，其它任何型別所創建的物件的記憶體都存在堆空間中，記憶體由JVM 的GC(Garbage Collection)垃圾回收進行管理，

但是對于c，c++中以及用c/c++撰寫的jni來說同樣需要手動管理和處理記憶體，特別是參考型別的物件，malloc，realloc，free ，delete ，不像java有jvm對每個行程記憶體的限制，特別是Android移動端使用不當給你oom好不啦，而在c++/c只要你想要多大的來隨便搞（只要系統記憶體充足）但是需要釋放，各有各的優勢，

在jni中分為區域參考，全域參考，全域弱參考，個人認為有點類似于java中
區域參考，強參考，軟參考SoftReference，在使用介紹之前我們先看一下jni中的基本型別和參考型別有哪些以及對應關系，

jni資料型別

基本資料型別：

java與Native映射關系如下表所示:

Java型別Native 型別Description
booleanjbooleanunsigned 8 bits
bytejbytesigned 8 bits
charjcharunsigned 16 bits
shortjshortsigned 16 bits
intjint signed32 bits
long jlongsigned64 bits
floatjfloat32 bits
doublejdouble64 bits
voidvoidnot applicable

參考資料型別

外面的為jni中的，括號中的java中的，

  • jobject
    • jclass (java.lang.Class objects)
    • jstring (java.lang.String objects)
    • jarray (arrays)
      • jobjectArray (object arrays)
      • jbooleanArray (boolean arrays)
      • jbyteArray (byte arrays)
      • jcharArray (char arrays)
      • jshortArray (short arrays)
      • jintArray (int arrays)
      • jlongArray (long arrays)
      • jfloatArray (float arrays)
      • jdoubleArray (double arrays)
  • jthrowable (java.lang.Throwable objects)

上面的層次中的jni的參考型別代表了繼承關系，jbooleanArray繼承jarray，jarray繼承jobject，最終都繼承jobject，

區域參考

通過呼叫jni的一些方法比如FindClass，NewCharArray，NewStringUTF等只要是回傳上面介紹的jni的參考型別都屬于區域參考，區域參考的生命周期只在方法中效，不能垮執行緒跨方法使用，函式退出后區域參考所參考的物件會被JVM自動釋放，或顯示呼叫DeleteLocalRef釋放，區域參考的也可以通過(*env)->NewLocalRef(env,local_ref)方法創建，一般不常用，

如下示例：

// jni_ref.cpp
// 在jni中呼叫java String類構造回傳String
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_jnilocalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {

    // 區域參考
    jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");

    // 呼叫public String(char[] value); 構造方法， 為了演示更多的區域參考
    jmethodID j_mid = env->GetMethodID(local_j_cls, "<init>", "([C)V");
    // 區域參考
    jcharArray local_j_charArr = env->NewCharArray(8);
    // 區域參考
    jstring local_str = env->NewStringUTF("LocalRef");
    const jchar *j_char = env->GetStringChars(local_str, nullptr);

    env->SetCharArrayRegion(local_j_charArr, 0, 8, j_char);

    jstring j_str = (jstring) env->NewObject(local_j_cls, j_mid, local_j_charArr);

    // 釋放區域參考，也可以不用呼叫在方法結束后jvm會自動回收，最好有良好的編碼習慣
    env->DeleteLocalRef(local_j_cls);
    env->DeleteLocalRef(local_str);
    env->DeleteLocalRef(local_j_charArr);

    // 也可以通過NewLocalRef函式創建 (*env)->NewLocalRef(env,local_ref);這個方法一般很少用，
    // 函式回傳后區域參考所參考的物件會被JVM自動釋放，或呼叫DeleteLocalRef釋放，(*env)->DeleteLocalRef(env,local_ref)

    // ReleaseStringChars和GetStringChars對應
    env->ReleaseStringChars(j_str, j_char);

    return j_str;
}

例子中的local_j_cls，local_j_charArr，local_j_charArr，j_str 都是區域參考型別，最后呼叫了DeleteLocalRef來釋放，
有同學問了，既然區域參考不用手動釋放，可不可以不用呼叫DeleteLocalRef方法，
咦，你這個小可愛，好問題哦！
好問題哦

我網上搜索了下，大部分的文章說了下會有限制，超過512個區域參考（為什么是這個數字，一看就是一個有情懷的程式員）會造成區域參考表溢位，我還是想測驗一下如下

// jni_ref.cpp
    LOG_D("localRefOverflow start");
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/util/ArrayList");
        // env->DeleteLocalRef(local_j_cls);
    }
    LOG_D("localRefOverflow end");

count =513，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =2000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =10000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =10 0000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =100 0000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end
…

我靠，WTF? 直接for回圈900w次，例外出現了，

2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273] JNI ERROR (app bug): local reference table overflow (max=8388608)
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273] local reference table dump:
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]   Last 10 entries (of 8388608):
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388607: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388606: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388605: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388604: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388603: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388602: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388601: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388600: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388599: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388598: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]   Summary:
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388604 of java.lang.Class (3 unique instances)
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]         3 of java.lang.String (3 unique instances)
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]         1 of java.lang.String[] (3 elements)
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]  Resizing failed: Requested size exceeds maximum: 16777216

8388608 ，可以猜測是不同的Android 版本導致，Android經常這樣不同的API或者功能在不同的版本上表現不一樣， 而我我用的Android 8.1的系統，為什么512沒有報錯了，
Android 8.0 之前區域參考表的上限是512個參考，Android 8.0后區域參考表上限提升到了8388608個參考，大家想一探究竟的話可以在如下Android 底層代碼中看一下，

需要翻墻
有關底層原始碼

看原始碼的同時我們也看到了比如FindClass 等方法，在最后方法的最后都有類似添加到區域參考表里的代碼，也就是說需要我們手動洗掉區域參考，

 static jclass FindClass(JNIEnv* env, const char* name) {
    CHECK_NON_NULL_ARGUMENT(name);
    Runtime* runtime = Runtime::Current();
    ClassLinker* class_linker = runtime->GetClassLinker();
    std::string descriptor(NormalizeJniClassDescriptor(name));
    ScopedObjectAccess soa(env);
    mirror::Class* c = nullptr;
    if (runtime->IsStarted()) {
      StackHandleScope<1> hs(soa.Self());
      Handle<mirror::ClassLoader> class_loader(hs.NewHandle(GetClassLoader(soa)));
      c = class_linker->FindClass(soa.Self(), descriptor.c_str(), class_loader);
    } else {
      c = class_linker->FindSystemClass(soa.Self(), descriptor.c_str());
    }
    return soa.AddLocalReference<jclass>(c);
  }

綜上可以看出并不是區域參考不用呼叫DeleteLocalRef來釋放，而是建議呼叫一下，如果你的jni方法很簡單&與java互動很少也可以不呼叫，但是如下的一些情況需要手動顯示的呼叫，為了防止記憶體溢位和區域參考表溢位，

  1. 如上我們模擬的情況，在for回圈里或者其它操作類似頻繁創建區域參考的需要釋放
  2. 遍歷陣列產生的區域參考，用完后要洗掉，

全域參考

通過呼叫jobject NewGlobalRef(jobject obj)基于參考來創建，引數是jobject型別，它可以跨方法、跨執行緒使用，JVM不會自動釋放它，必須顯示呼叫DeleteGlobalRef手動釋放void DeleteGlobalRef(jobject globalRef)

如下使用示例：
在jni中呼叫java String類構造回傳String

// jni_ref.cpp
static jclass g_j_cls;  // 加static前綴 只對本源檔案可見，對其它源檔案隱藏
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_jniGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {

    if (g_j_cls == nullptr) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");
        // 將local_j_cls區域參考改為全域參考
        g_j_cls = (jclass) env->NewGlobalRef(local_j_cls);
    } else {
        LOG_D("g_j_cls else");
    }

    // 呼叫public String(String value); 構造
    jmethodID j_mid = env->GetMethodID(g_j_cls, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");

    jstring str = env->NewStringUTF("GlobalRef");
    jstring j_str = (jstring) env->NewObject(g_j_cls, j_mid, str);
    return j_str;
}

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_delGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {
    if (g_j_cls != nullptr) {
        LOG_D("DeleteGlobalRef");
        // 釋放某個全域參考
        env->DeleteGlobalRef(g_j_cls);
    }
}

java呼叫

    public native String jniGlobalRef();
    public native void delGlobalRef();
    
    String ret1 = jniRef.jniGlobalRef();
    Log.e(TAG, "jniGlobalRef=" + ret1);
    String ret2 = jniRef.jniGlobalRef();
    Log.e(TAG, "jniGlobalRef=" + ret2);
    jniRef.delGlobalRef();

g_j_cls就是一個全域參考，然后我們多次呼叫下jniRef.jniGlobalRef方法列印如下：

2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniGlobalRef=GlobalRef
2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: g_j_cls else
2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniGlobalRef=GlobalRef
2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: DeleteGlobalRef

說明全域參考可以起到快取的效果，為什么要做這個測驗呢？ 因為頻繁呼叫類似JNI介面FindClass查找java中Class參考時是比較耗性能的，特別是在有互動頻繁的JNI的app中，

弱全域參考

這個有點類似于java的軟參考SoftReference，jvm在記憶體不足的時候會釋放它，通過呼叫jweak NewWeakGlobalRef(jobject obj)來創建一個弱全域參考，釋放呼叫void DeleteWeakGlobalRef(jweak obj)，jweak為typedef _jobject* jweak;
_jobject指標的別名，

如下使用示例，和全域參考一樣把全域參考的方法改為弱全域參考的方法即可，

// jni_ref.cpp
static jclass g_w_j_cls;
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_jniWeakGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {

    if (g_w_j_cls == nullptr) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");
        // 將local_j_clss區域參考改為弱全域參考
        g_w_j_cls = (jclass) env->NewWeakGlobalRef(local_j_cls);
    } else {
        LOG_D("g_w_j_cls else");
    }

    jmethodID j_mid = env->GetMethodID(g_w_j_cls, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");

    // 使用弱參考時，必須先檢查快取過的弱參考是指向活動的類物件，還是指向一個已經被GC的類物件
    // 檢查弱參考是否活動，即參考的比較IsSameObject
    // 如果g_w_j_cls指向的參考已經被回收，會回傳JNI_TRUE
    // 如果仍然指向一個活動物件，會回傳JNI_FALSE
    jboolean isGC = env->IsSameObject(g_w_j_cls, nullptr);
    if (isGC) {
        LOG_D("weak reference has been gc");
        return env->NewStringUTF("weak reference has been gc");
    } else {
        jstring str = env->NewStringUTF("WeakGlobalRef");
        jstring j_str = (jstring) env->NewObject(g_w_j_cls, j_mid, str);
        return j_str;
    }
}

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_delWeakGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {
    if (g_w_j_cls != nullptr) {
        // 呼叫DeleteWeakGlobalRef來釋放它，如果不手動呼叫這個函式來釋放所指向的物件，JVM仍會回收弱參考所指向的物件，但弱參考本身在參考表中所占的記憶體永遠也不會被回收，
        LOG_D("DeleteWeakGlobalRef");
        env->DeleteWeakGlobalRef(g_w_j_cls);
    }
}

java呼叫

        String ret3 = jniRef.jniWeakGlobalRef();
        Log.e(TAG, "jniWeakGlobalRef=" + ret3);
        String ret4 = jniRef.jniWeakGlobalRef();
        Log.e(TAG, "jniWeakGlobalRef=" + ret4);
        jniRef.delWeakGlobalRef();

g_w_j_cls就是一個弱全域參考，然后我們多次呼叫下jniRef.jniWeakGlobalRef方法列印如下：

2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniWeakGlobalRef=WeakGlobalRef
2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: g_w_j_cls else
2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniWeakGlobalRef=WeakGlobalRef
2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: DeleteWeakGlobalRef

和全域參考一樣可以起到快取的效果，
剛才我們說了就是弱全域參考在記憶體不足的時候會被jvm回收，怎么判斷它被回收了，判null ，沒錯！當被回收了會為null，所以我們在使用弱全域參考的時候頻道弱全域參考是否還存在，怎么判斷呢？使用參考比較 ，

參考比較

在jni中提供了 jboolean IsSameObject(jobject ref1, jobject ref2)方法，如果ref1和ref2指向同個物件則回傳JNI_TRUE，否則回傳JNI_FALSE，

    jclass local_j_cls_1 = env->FindClass("java/util/ArrayList");
    jclass local_j_cls_2 = env->FindClass("java/util/ArrayList");
    jboolean same1 = env->IsSameObject(local_j_cls_1, local_j_cls_2);
    LOG_D("%d",same1);
    jboolean same2= env->IsSameObject(local_j_cls_1, nullptr);
    LOG_D("%d",same2);

輸出 1和0

快取策略

當我們在本地代碼方法中通過FindClass查找Class、GetMethodID查找方法、GetFieldID獲取類的欄位ID和GetFieldValue獲取欄位的時候是需要jvm來做很多作業的，可能這個欄位ID或者方法是在超類中繼承而來的，那jvm可能還需要層次遍歷，而這些負責和jni互動java中的類的全路徑，欄位，方法一般是不會修改了，是固定的，這也是為什么我們在做android混淆打包的時候需要keep這些類，因為這些一般不會變，不能變，變了后jni中會找不到了具體的類，欄位，方法了，既然打包后不會變我們是可以進行快取策略來處理，

另外至于效率提高多少，沒有驗證，不過不重要，如果是頻繁這種查找一般會采用快取，只查找一次或者在程式初始化的時候提前查找，

對于這類情況的快取分為基本資料型別快取和參考快取，

基本資料型別快取

基本資料型別的快取在c，c++中可以借助關鍵字static處理，
學過c，c++的都知道

  1. static區域變數只初始化一次，下一次依據上一次結果值
  2. static全域變數只初使化一次，防止在其他檔案中被參考
  3. 加static函式的函式為內部函式，只能在本源檔案中使用， 和普通函式的作用域不同
static jclass g_j_cls_cache;
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_refCache(JNIEnv *env, jobject instance) {
    if (g_j_cls_cache == nullptr) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");
        // 將local_j_cls區域參考改為全域參考
        g_j_cls_cache = (jclass) env->NewGlobalRef(local_j_cls);
    } else {
        LOG_D("g_j_cls_cache use cache");
    }

    // 呼叫public String(String value); 構造
    static jmethodID j_mid;
    if (j_mid == nullptr) {
        j_mid = env->GetMethodID(g_j_cls_cache, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");
    } else {
        LOG_D("j_mid use cache");
    }

    jstring str = env->NewStringUTF("refCache");
    jstring j_str = (jstring) env->NewObject(g_j_cls_cache, j_mid, str);
    return j_str;
}

java呼叫

        String ret5 = jniRef.refCache();
        Log.e(TAG, "refCache=" + ret5);
        String ret6 = jniRef.refCache();
        Log.e(TAG, "refCache=" + ret6);
        jniRef.delRefCache();

local_j_cls區域參考變為全域參考，j_mid變數改為static
輸出:

10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: refCache=refCache
10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: g_j_cls_cache use cache
10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: j_mid use cache
10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: refCache=refCache

有人問local_j_cls區域參考可以加static嗎？不用全域參考/全域弱應用？ 可以加static，但是不能起到快取的作用，因為上文說了區域參考在函式結束后會被jvm回收了，不然再次使用回到非法記憶體訪問導致應用crash，所以正確的做法如上用全域參考/全域弱應用，

參考型別的快取

可以借助上面的全域參考或者弱全域參考，弱全域參考記得在使用前判斷下是否被回收了IsSameObject，最后記得釋放 DeleteGlobalRef ,DeleteWeakGlobalRef，

最后源代碼：https://github.com/ta893115871/JNIAPP

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/houduan/181058.html

標籤：java

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